KVANTITATIVNÍ GENETIKA dědičnost kvantitativních znaků 2014 Doc. MVDr. Eva Bártová, Ph.D.
KVALITATIVNÍ ZNAK gen znak barva květů, srsti krevní skupiny rohatost, bezrohost KVANTITATIVNÍ ZNAK hmotnost, výška počet nakladených či snesených vajíček obsah tuku v mléce krávy včetně KOMPLEXNÍCH ZNAKŮ: hodnota IQ schopnost učit se reprodukce, výkrmnost, jatečná hodnota
POLYGENNÍ DĚDIČNOST Kvantitativní znaky: multifaktoriální (založené geneticky, ovlivněné prostředím) kódovány polygeny (více genů, každý zvlášť je děděn podle Mendelových pravidel) geny mají aditivní (multiplikativní) účinek na fenotyp kontinuální variabilita fenotypu (vyjadřuje Gausova křivka)
FENOTYPOVÁ VARIABILITA V P = V G + V E V A + V D + V I V G + V S + V M V P variabilita fenotypu V G genetická variabilita V A aditivní V D dominantní (dominance/recesitvita vztahy mezi alelami) V I interakční (genové interakce) V E enviromentální variabilita (vliv prostředí) V G celkový (globální) účinek prostředí (př. teplota, je vždy) V S speciální účinek prostředí (př. slunce - pigment) V M maternální efekt (stočení ulity)
HERITABILITA (DĚDIVOST) charakteristický rys populace (jedinec nemá heritabilitu) není fixní pro druh (liší se v populacích téhoţ druhu) určuje podíl fenotypové variability mezi jedinci v populaci HERITABILITA v širším pojetí (Broad-sense heritability) 2 B h V V G P variabilita genotypu variabilita fenotypu HERITABILITA v uţším pojetí (Narrow-sense heritability) h 2 N V V A P
VÝPOČET HERITABILITY k (regresní koeficient) = h 2 N h 2 N = 1 variabilita je geneticky podmíněna (plný aditivní účinek genů na fenotypovou variabilitu) h 2 N = 0 variabilita není geneticky podmíněna (žádný aditivní účinek genů na fenotypovou variabilitu) genetický základ variability znaků je předpoklad selekce pro cílenou umělou selekci je nutné znát h 2
Studium variability kvantitativních znaků v populaci - nezbytná znalost STATISTIKY! PRŮMĚR (mean, aritmetický průměr) ROZPTYL a SMĚRODATNÁ ODCHYLKA (variance, standard deviation) - udává rozpětí, jak jsou hodnoty rozděleny kolem průměru KORELACE jestli (a jak) na sobě dva kvantitativní znaky závisí Hodnocení: r = (-1 aţ 1) čím je blíž k 1, tím je korelace silnější (silná/slabá) + znaménko = pozitivní korelace (přímá úměra) - znaménko = negativní korelace (nepřímá úměra) Umět vysvětlit na konkrétním příkladu viz cvičení
POPULAČNÍ GENETIKA
POPULACE Definice: biogeograficky: skupina jedinců daného druhu v určitém vymezeném prostoru populačně geneticky: skupina jedinců daného druhu, kteří se mezi sebou kříţí na určitém místě v určitém čase GAMETOVÝ FOND = soubor gamet v populaci GENOFOND = soubor genů (alel) v populaci
CHARAKTERISTIKY POPULACE VELIKOST malé populace (desítky) velké populace (stovky a více jedinců) EFEKTIVNÍ VELIKOST (zahrnuje jedince v reprodukčním věku) GENERAČNÍ INTERVAL (doba kdy se objeví nová generace, př. u člověka 20-30 let) GENOTYPOVÉ a ALELOVÉ FREKVENCE HETEROZYGOTNOST paternální Generační interval u člověka maternální
HARDYŮV-WEINBERGŮV ZÁKON (1908) Godfrey Hardy - anglický matematik Wilhelm Weinberg - německý lékař Frekvence alela a genotypů v populací zůstane konstantní z generace na generaci pokud je populace stabilní a v genetické rovnováze pro gen s 2 alelami: (p + q) 2 = p 2 + 2pq + q 2 frekvence alel frekvence genotypů pro gen s 3 alelami: (p+q+r) 2 =p 2 +2pq+q 2 +2pr+2qr+r 2
FREKVENCE ALEL - relativní četnost alely v souboru všech alel stejného genu p = frekvence dominantní alely A q = frekvence recesivní alely a p + q = 1 (100%) FREKVENCE GENOTYPŮ - podíl určitého genotypu v souboru všech genotypů v populaci P = frekvence genotypu AA H = frekvence genotypu Aa Q = frekvence genotypu aa P + H + Q = 1 (100%) p 2 + 2pg + q 2 = 1
PODMÍNKY PLATNOSTI HW ZÁKONA populace je dostatečně velká (stovky a více dospělých) populace je panmiktická (alely se náhodně párují) rozmnožují se jedinci stejné generace neprobíhá: selekce (jedinci všech genotypů mají stejnou plodnost) mutace genetický posun (genetic drift) tok genů (genetic flow) V dostatečně velké panmiktické populaci se alelové a genotypové frekvence z generace na generaci nemění
VLIV TYPU ROZMNOŢOVÁNÍ NA GENETICKOU STRUKTURU POPULACE 1. AUTOGAMIE (self-fertilization, selfing, samooplození) - oplození samičích gamet samčími ze stejného jedince (samosprašné rostliny, někteří hermafroditi) - někdy považována za extrémní typ inbrídingu 2. INBRÍDING (křížení blízce příbuzných jedinců) - genetický jev, který vzniká po páření příbuzných jedinců - společný předek do 5. generace neplatí HW zákon (není náhodné párování gamet) zvyšování frekvence homozygotů (homozygotizace) alelové frekvence zůstávají nezměněné stabilizace znaku
Model autogamní populace Vyuţití: - vytváření linií jedinců poţadovaných vlastností (šlechtění) autogamie - u kulturních rostlin inbríding - při šlechtění živočichů (plemenitba, produkce laboratorních zvířat)!! negativní medicínský aspekt - s častějším výskytem recesivních homozygotů roste počet jedinců postižených recesivními chorobami (př. hemofýlie, fenylketonurie, daltonismus)
3. OUTBREEDING - křížení nepříbuzných jedinců, může být nenáhodně ovlivněno SELEKCÍ např. výběr partnerů podle určitých znaků pozitivní selekce - ženy si vybírají vyšší muže negativní selekce - z výběru vyloučen jedinec s vadami křížení jedinců z různých populací přináší nové alely 4. PANMIXIE - náhodné (ničím neomezené) páření (random) lidská populace - ano i ne (pro různé geny a znaky)
VLIV MUTACÍ NA GENETICKOU STRUKTURU POPULACÍ bez mutací mutace malé změny alelových frekvencí v populaci významné z evolučního hlediska!!!
VLIV GENETICKÉHO POSUNU NA GENETICKOU STRUKTURU POPULACÍ Genetický posun (genetic drift) - změna alelových a genotypových frekvencí v populaci neúplným předáním alelového fondu z generace na generaci (efekt úzkého hrdla) kolísání alelových frekvencí mezi generacemi fixace některých alel / eliminace jiných nízká heterozygotnost (homozygotizace) Je to náhodný (stochastický) proces u: - malých populací - alel s nízkou frekvencí malé populace: výrazné změny alelových frekvencí nízká heterozygotnost u ohrožených druhů snížení genetické variability populace!!!
VLIV TOKU GENŮ NA GENETICKOU STRUKTURU POPULACÍ výměna alel mezi 2 populacemi získání nebo ztráta alel v populaci vlivem migrace plodných jedinců (nebo přenos gamet) bez toku genů tok genů změna alelových (genotypových) frekvencí zvyšení genetické variability populace
VLIV SELEKCE NA GENETICKOU STRUKTURU POPULACÍ Přírodní selekce (přírodní výběr): Animace selekce: http://bcs. whfreema n.com/thel ifewire/co ntent/chp2 3/2302001.html změna alelových a genotypových frekvencí selekcí se uskutečňuje genetická adaptace populací k měnícím se podmínkám prostředí (trvalý proces)
PRAKTICKÉ APLIKACE POPULAČNÍ GENETIKY 1. GENETICKÁ ONEMOCNĚNÍ studium frekvence genetických onemocnění v populacích léčba (prevence) genetických onemocnění Vliv: mutace - zvyšuje frekvenci alel, které jsou příčinou nemoci selekce - redukuje frekvenci těchto alel genetický drift tok genů inbríding
2. PROBLÉMY MALÝCH POPULACÍ vzácné a ohrožené druhy zvířata v ZOO Vliv: genetický drift, inbríding, selekce homozygotizace ztráta genetické variability fixace alel s neţádoucími účinky sníţení fitness, nemoci ŘEŠENÍ: k malým populacím v zajetí přidávat nové jedince z přírody výměna jedinců nebo gamet (inseminace) mezi chovateli výhoda - populace ohrožených druhů mají obvykle dlouhý generační interval (homozygotizace nepostupuje tak rychle)
3. STUDIUM EVOLUCE (fylogeneze) - evoluční vztah mezi druhy na základě morfologických dat (tvar zobáku, počet noh.) a molekulárních dat (porovnání DNA ) - podle doby, kdy došlo k diferenciaci lze určit genetické vzdálenosti a sestavit: FYLOGENETICKÉ STROMY Selekčně neutrální mutace nemají výhodu ani nevýhodu jejich změna v čase je ovlivněna genetickým driftem rychlost změn je známá MOLEKULÁRNÍ HODINY
Př.2: porovnání příbuznosti člověka, šimpanze, gorily a orangutana podle porovnání sekvence genu pro β-globin
EVOLUČNÍ BIOLOGIE EVOLUCE teorie o historickém vývoji života zabývá se vznikem, štěpením a zánikem jednotlivých vývojových linií života a mechanizmy jejich regulace
4. st. př. n. l.: Aristoteles - druhy se liší v důležitých vlastnostech, jedinci v nedůležitých vlastnostech Abiogeneze - teorie vzniku živého z neživého škola DILUVIANISTŮ (diluvium = potopa) - nálezy zkamenělin jsou zbytky živočichů, kteří zahynuli při biblické potopě 17. st. Robert Hooke (1635-1703), anglický přírodovědec paleontologie - nauka o vyhynulých zvířatech a rostlinách v uplynulé geologické době, paleobiologie 18. st. Carl von LINNÉ (1707-1778) - švédský přírodovědec, zakladatel botanické a zoologické systematické binomické nomenklatury, vytvořil pojem druh zač.19. st. Georges CUVIER (1769-1832), franc. přírodovědec - zavedl Linnéův systém v paleontologii - neuznával proměnu druhu - vyslovil teorii kataklyzmat (celosvětových katastrof)
LAMARCKISMUS Jean-Baptiste de LAMARCK (1744-1829) - francouzský přírodovědec Hlavní teze: organizmy mají vrozenou schopnost a vůli měnit se k složitějším a dokonalejším formám evoluce druhu vliv prostředí je nepřímý, nabízí nové příležitosti ovlivní tělesnou stavbu, chování nově získané znaky se přenášejí na další generace (mylná teze dědičnosti získaných vlastností!!!)
KLASICKÝ DARWINISMUS 2. pol. 19. st. Charles Robert DARWIN (1809-1882) anglický přírodovědec, biolog, geolog student v Cambridge, ve 22 letech pětiletá cesta kolem světa na lodi Beagle teorie o vzniku druhů přírodním a pohlavním výběrem Ch. Darwin: On the origin of species by means of natural selection, or the preservation of favoured races in the struggle for life, London, 1859 Ch. Darwin: The descent of man, and selection in relation to sex, London, 1871
(strnadovití Emberizidae) pěnkavka Geospiza spp.
Hlavní teze klasického DARWINISMU 1) původ všech druhů je společný, při vývoji může dojít až k divergenci vývojových linií 2) jedinci v populacích jsou variabilní, proměnlivost je náhodná a dědičná 3) populace mají neomezenou kapacitu růstu, omezené jsou potravní a prostorové zdroje o které jedinci soutěží a jen malá část se dožije reprodukce 4) proces evoluce se děje gradualisticky (postupně, pozvolna, nepřetržitě) a předpokladem je individuální variabilita 5) hlavní silou vývoje je přírodní výběr (přežívají a reprodukují se pouze jedinci nejlépe přizpůsobeni danému prostředí) a pohlavní výběr (potomky plodí pouze jedinci nejúspěšnější při soutěži o účast v reprodukci)
NEODARWINISMUS 1. pol. 20. st. Julian Sorell HUXLEY (1887-1975) anglický biolog Huxleyho evoluční teorie (moderní syntetická teorie evoluce) využívá poznatků z různých odvětví biologie (genetiky, cytologie, systematiky, botaniky a paleontologie) doplnění darwinismu zejména o mendelismus studia přírodního výběru v experimentálních populacích matematické teorie populační genetiky moderní genetika, systematika, paleontologie biochemie, ekologie, etologie
ZÁKLADNÍ MECHANISMY EVOLUCE příčinou evoluce ŽS je neustálá změna podmínek prostředí, na které se ŽS evolučně adaptují: vývoj různými směry (divergence) trend ke zvyšování organizovanosti z hlediska evoluce je významná populace, která je genotypově variabilní, trvale pokračuje v čase (jedinec se během života genotypově nemění, brzy umírá) PODMÍNKOU EVOLUCE JE GENETICKÁ VARIABILITA!!! Zdroje genetické variability: 1. mutace 2. rekombinace - crossing-over - volná segregace homologních chromozomů - kombinace rodičovských gamet při oplození
Úrovně studia evoluce: samotný vznik ţivota mikroevoluce - změny v populacích téhož druhu speciace - vznik nových, geneticky izolovaných druhů makroevoluce - vznik a vývoj vyšších taxonů neţ druh, evoluční novinky, celkové změny biodiverzity
MIKROEVOLUCE týká se populací krátkodobá evoluční změna uvnitř populace (genetická variabilita + selekce) přírodní výběr zvyšuje adaptaci organizmů na prostředí, ale má svá omezení daná genetickým materiálem v populaci KRÁTKODOBÉ MIKROEVOLUČNÍ PROCESY vznik rezistence (mikroorganismy x antibiotika, hmyz x insekticidy, hlodavci x rodenticidy) vznik průmyslového (industriálního) melanismu DLOUHODOBÉ DŮSLEDKY MIKROEVOLUCE u druhů s rozsáhlým areálem mohou ze subpopulací s jiným přírodním výběrem vznikat poddruhy (subspecie) až nové samostatné druhy
Př. Industriální melanismus drsnokřídlec březový (Biston betularia) KOEVOLUCE = evoluce dvou nebo více druhů je ovlivněná vzájemnými vztahy (kořist x predátor, rostlina x opylovač, výstražně zbarvený jedovatý organismus x výstražně zbarvený nejedovatý organismus např. vosa x pestřenka)
SPECIACE vznik druhů Definice DRUHU jedinečný evoluční původ a historie soubor jedinečných vlastností fenotypových i genetických (jedinečný genofond) jedinečná ekologická nika (soubor nároků a tolerancí vůči vnějšímu prostředí) tvoří uzavřené reprodukční společenství Pro vznik druhu je rozhodující reprodukční izolace rodičovské generace plodí potomstvo patřící stejnému druhu PLATÍ pro dvourodičovské organizmy mnoţící se pohlavně
Typy speciace Animace meachanismy speciace http://bcs.whfreeman.com/thelifewire/content/chp24 /2402001.html Animace - alopatrické speciace: http://bcs.whfreeman.com/thelifewire/content/chp24 /2402002.html ANAGENEZE (speciace fyletická) - změny v neštěpící se evoluční linii (morfologické, fyziologické, etologické) KLADOGENEZE (speciace štěpná) - následkem reprodukční izolace a vzniku reprodukčně izolačních mechanismů dochází ke zmnožením druhů Allopatrická (geografická) - areál je geograficko-ekologickou bariérou rozdělen do dvou areálů (kontinent mořem), izolovaná evoluce, genetická divergence Sympatrická (ekologická, kompetiční) - speciace uvnitř téže populace bez geografické izolace anageneze kladogeneze
SYNGENEZE - spojování původně samost. vývojových linií Hybridogeneze - z rodičovských druhů (synklepton) vzniká hybridní populace (klepton), který je schopen pokračovat v existenci hybridizací s jedinci rodičovského druhu Rodičovský druh 1 skokan skřehotavý Rodičovský druh 2 skokan krátkonohý Hybridní populace (klepton) skokan zelený Transgeneze - zubr evropský (bizon + pratur) Symbiogeneze - (evoluční rozpouštění) spojování vývojových linií (eukaryotická buňka, lišejníky)
MAKROEVOLUCE - vývoj taxon. jednotek vyšších neţ druh MAKROEVOLUCE: zdroj evolučních novinek speciace SPECIACE x EXTINKCE (vymírání) Osud druhových linií v čase: linie dlouhodobě setrvává v klidu beze změn = stazigeneze štěpení linie do velkého počtu druhů = adaptivní radiace evoluční novinky, exaptace dříve preadaptace (př. peří u předků ptáků termoregulační adaptace pokožky byla vhodná preadaptace pro let) uvolnění ekologické niky, nová adaptivní zóna zdokonalování adaptace = SPECIACE EXTINKCE (vymírání) - vlivem změny klimatu, epidemie, nová oblast, predátoři.. rychlost vymírání závisí na velikosti populace (početnost, rozloha)
ČLOVĚK JAKO ZDROJ EVOLUČNÍCH ZMĚN - člověk vnáší do přírodního výběru prvky, které mohou podstatně ovlivnit další evoluci: rychle mění regionální i globální parametry biosféry a geosféry - tím mění kritéria na výhodné a nevýhodné fenotypy (genotypy) zvyšuje genetickou variabilitu zaváděním stále nových genotoxinů (mutagenů) přímo zasahuje do genomu řady druhů a potenciálně i svého vlastního (GMO) může uvolnit mnoţství energie (nukleární), které by znamenalo podstatnou změnu organizovanosti ŽS extinkce (vymírání) v globálním měřítku